Gran col·lisionador d’adrons

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure.
Saltar a la navegació Saltar a la cerca
L'interior del túnel LHC, on es van instal·lar els imants superconductors .

El Large Hadron Collider (en acrònim LHC, lletra "Great Collider hadrons ") és un accelerador de partícules situat al CERN de Ginebra , utilitzat per a experiments de recerca en el camp de la física de partícules . [1]

Característiques

LHC és l’accelerador de partícules més gran i potent de la Terra. És un accelerador d’ adrons amb una energia d’uns 14 teraelectrons volts , construït dins d’un túnel subterrani amb una circumferència d’uns 27 km, uns 100 m de profunditat. Es troba al mateix túnel que es va fer anteriorment per a l’accelerador LEP .

L’accelerador d’adrons, amb els seus punts experimentals i els seus preacceleradors. Els feixos d’ions comencen el camí cap als acceleradors lineals (a la figura estan indicats per p i Pb ). Després continuen el seu viatge al Sincrotró de Protons ( PS ), al Sincrotró del Gran Protó ( SPS ) i arriben a l’anell exterior amb un diàmetre d’uns 25 km. Els quatre detectors ATLAS , CMS , LHCb , ALICE han estat indicats en groc.

Els components més importants de l’accelerador són 1232 imants superconductors de baixa temperatura, que tenen un camp intens d’uns 8 Tesla [2] . Estan fets d’ aliatge de niobi i titani i es refreden a una temperatura d’uns 2 K (aproximadament -271 ° C ), mitjançant heli líquid.

La màquina accelera dos feixos que circulen en direccions oposades, dins dels tubs de buit. Les bigues xoquen en quatre punts del camí, on el túnel s’eixampla per deixar espai als grans compartiments que alberguen els detectors. Els quatre detectors de partícules principals són ATLAS , una forma toroidal, el solenoide compacte per a muons , LHCb i ALICE , un col·lisionador d’ions. Els detectors utilitzen diferents tecnologies i funcionen al voltant del punt on xoquen els feixos. En les col·lisions, es produeixen nombroses partícules , les propietats de les quals són mesurades pels detectors i enviades al centre informàtic. Un dels objectius principals dels estudis és la recerca de rastres de l’existència de noves partícules.

Després d'un fracàs inicial que va comprometre el sistema de refrigeració i va provocar un tancament d'aproximadament un any, LHC va començar la seva campanya experimental a finals de 2009. [3] L'incident va ser discutit en detall pel físic Lucio Rossi, en l'època responsable dels imants superconductors. [4]

El 2018 es va iniciar la implementació d’un projecte de millora del rendiment, en particular per augmentar la brillantor del feix en un factor de 10 ( projecte LHC d’alta lluminositat ) [5] [6] .

Propòsits científics

Secció d’un imant superconductor LHC.

Després de la demostració de l’existència del bosó de Higgs , previst pel Model Estàndard per donar lloc a les masses de partícules, els físics de tot el món pretenen utilitzar LHC per obtenir respostes a diverses preguntes que consideren fonamentals per a la continuació del contingut físic. investigació. [7] :

Experiments al LHC

El detector CMS a LHC

El programa científic LHC inclou set experiments. Els dos experiments més grans són ATLAS [8] ( A Toroidal LHC ApparatuS ) i CMS [9] ( Compact Muon Solenoid ), que són detectors massius i tecnologia avançada realitzada per col·laboracions internacionals de més de 2.000 físics. L'experiment LHCb està dissenyat per estudiar la física dels mesons B, mentre que ALICE [10] està optimitzat per a l'estudi de col·lisions entre ions pesants. Els dos detectors més petits són TOTEM [11] i LHCf [12] , que s’especialitzen en l’estudi de col·lisions que produeixen partícules amb un angle petit respecte a la direcció dels feixos. L’últim experiment que s’ha iniciat és l’ experiment MoEDAL , l’objectiu principal del qual és buscar el monopol magnètic .

El primer feix de protons va circular a l’accelerador el 10 de setembre de 2008 al matí. [13] Les partícules es van disparar a l'accelerador en sentit horari a les 10:28 hora local [14] i després es va disparar un feix de protons en sentit antihorari i va arribar al seu destí a les 14:59.

Les primeres "modestes" col·lisions d'alta energia de 900 GeV haurien d'haver-se produït els primers dies de la setmana del 22 de setembre de 2008. A partir del 12 d'octubre de 2008, abans de la inauguració oficial (21 d'octubre de 2008 ), el LHC ja hauria d'haver operat a una energia d’1 TeV [15] i el 2009 hauria d’haver assolit l’energia de 7 TeV. No obstant això, els temps han augmentat una mica, ja que es va produir un error el 19 de setembre de 2008, que va mantenir l’accelerador estacionari durant diversos mesos. [16]

Avanç del treball

Història
Data Esdeveniment
10 de setembre de 2008 El primer protó dins del circuit es fa passar a velocitats mínimes.
19 de setembre de 2008 Un superconductor es fa malbé i provoca la pèrdua de 6 tones d'heli líquid.
30 de setembre de 2008 La primera col·lisió prevista, a revolucions mitjanes-baixes, es posposa a causa de la persistència de problemes tècnics.
16 d’octubre de 2008 Es publica una primera anàlisi de l'incident al super-conductor.
21 d’octubre de 2008 Inauguració oficial.
5 de desembre de 2008 El CERN publica altres anàlisis detallades.
21 de novembre de 2009 El LHC es va reactivar a una energia de 2,36 TeV (1,18 TeV per feix).
23 de novembre de 2009 Primeres col·lisions amb un centre d'energia de massa de 900 GeV (450 GeV + 450 GeV).
30 de novembre de 2009 Nivells d’energia de 2,36 TeV assolits al centre de massa (nou rècord mundial).
8 de desembre de 2009 Per primera vegada, s’han observat col·lisions de protons amb tots els dispositius de detecció que funcionen a 2,36 TeV al centre de massa.
19 de març de 2010 Per primera vegada, els dos feixos de partícules arriben cadascun a 3,5 TeV però sense que els protons facin xocar.
30 de març de 2010 Primeres col·lisions protó-protó a 7 TeV al centre de massa. La màquina torna a batre el rècord mundial ja assolit per LHC el novembre de 2009.
30 de juny de 2010 Es va obtenir el nou registre de brillantor instantània de 8x10 29 cm −2 s −1 , amb tres raïms (paquets de protons) per feix d’alta intensitat.
14 de juliol de 2010 S'ha assolit la brillantor rècord de LHC de 10 30 col·lisions per segon per centímetre quadrat.
20 d’agost de 2010 Es va assolir un nou registre de brillantor instantània: 6,5 x 10 30 cm −2 s −1 .
23 d'agost de 2010 Es va assolir la lluminositat de 10 31 cm −2 s −1 , amb 48 paquets de protons (raïms) alhora amb una densitat única que arribava als 5.000 milions de protons.
14 d’octubre de 2010 Ha assolit la brillantor de 10 32 cm −2 s −1 .
4 de novembre de 2010 Els primers feixos d’ions de plom s’injectaren al cotxe sense que xocessin.
5 de novembre de 2010 Els feixos d’ions es van accelerar a una energia d’1,38 TeV, un nou registre històric.
7 de novembre de 2010 Les primeres col·lisions d’ions es van accelerar fins a obtenir una energia d’1,38 TeV.
22 d’abril de 2011 Ha assolit la brillantor de 4,67 x 10 32 (nou registre absolut).
25 de juliol de 2011 Es va registrar un excés d'esdeveniments a la regió, encara no exclòs per l'existència del bosó de Higgs, entre 114 i 140 GeV.
22 d’agost de 2011 Excloent l'existència dels Higgs en gran part de la regió de masses entre 145 i 466 GeV amb una certesa del 95 per cent.
25 de novembre de 2011 Excloent l'existència dels Higgs en gran part de la regió de masses entre 141 i 476 GeV amb una certesa superior al 95 per cent.
13 de desembre de 2011 Els resultats es van informar que indiquen un excés d’esdeveniments en el rang de massa al voltant dels 125 GeV.
27 de desembre de 2011 S'ha anunciat el descobriment de la partícula χ b (3P) ( fons Chi (3P)) composta per un quark de bellesa i el seu antiquark.
7 de febrer de 2012 S'han divulgat altres resultats dels experiments ATLAS i CMS que indiquen una finestra d'energia per al bosó de Higgs eventual entre 124 GeV i 126 GeV.
13 de febrer de 2012 Es va decidir augmentar l'energia de cada feix, per al 2012, de 3,5 TeV a 4 TeV.
30 de març de 2012 Primeres col·lisions protó-protó amb energia al centre de massa de 8 TeV, un nou registre històric.
19 d'abril de 2012 Es va aconseguir la brillantor de 3,9 x 10 33 col·lisions per cm quadrats i per segon mitjançant 1.380 paquets per feix.
27 d’abril de 2012 Es va anunciar el descobriment de l'estat excitat de la partícula Ξ b 0 ( fons Xi ) format per un quark de bellesa, un quark alt i un estrany.
16 de maig de 2012 Es va anunciar el descobriment de 2 estats excitats de la partícula Λ b 0 ( fons Lambda ) composta per un quark de bellesa, un cap amunt i un cap avall.
4 de juliol de 2012 S'ha anunciat el descobriment d'una nova partícula, que es presumeix que és el bosó de Higgs, amb una massa de 125,3 ± 0,6 GeV / c2 per sobre de 4,9 sigma . Les dades analitzades fins ara són coherents amb les de Higgs, tot i que hi ha més anàlisis en curs.
13 de setembre de 2012 Primeres col·lisions de protons amb ions de plom.
17 de març de 2015 L'estimació de la massa del bosó de Higgs s'ha millorat fins al valor de 125,09 ± 0,24 GeV.
21 de maig de 2015 Primeres col·lisions protó-protó a l'energia de 13 TeV.
25 de novembre de 2015 Primera col·lisió d'ions a l'energia rècord d'1 PeV (equivalent a 5 TeV dels experiments anteriors) [17]
23 d'abril de 2016 Recopilació de dades

Resultats

Després de l'anàlisi de les 284 col·lisions a 900 GeV observades a l'experiment ALICE el 23 de novembre de 2009 , els científics de LHC van publicar les primeres mesures de densitat de la pseudorapidesa η de les partícules carregades primàries. A l'interval | η | <0,5, els científics van obtenir els següents valors:

Tipus d’interaccions dN ch / dη Incertesa
estadístiques
Incertesa
sistemàtica
inelàstica 3.10 ± 0,13 ± 0,22
difractiu no únic 3,51 ± 0,15 ± 0,25

Aquests resultats són compatibles amb les mesures anteriors per a interaccions protó - antiprotó amb la mateixa energia al centre de massa obtinguda amb el col·lisionador CERN Spp̅S [18] .

Per primera vegada, es va observar directament l’ apagat per raig , analitzant les col·lisions entre ions de plom observades per l’experiment ATLAS el novembre del 2010. Aquesta asimetria podria resultar de la formació de plasma quark-gluó, que interfereix amb els dolls de partícules que el travessen.

Descobriment de la partícula χ b (3P) composta per un quark de bellesa i el seu antiquark.

Va descobrir l’estat excitat de la partícula Ξ b 0 composta per un quark de bellesa, un quark estrany i un quark superior.

Es van descobrir 2 estats excitats de la partícula Λ b 0 composta per un quark de bellesa, un cap avall i un cap amunt.

S'ha descobert una nova partícula compatible amb el model estàndard Boson Higgs.

Els dos bariónicas partícules Xi_b'-, Xi_b * - [19] [20] van ser descoberts en l' LHCb experiment

Seguretat de les col·lisions de partícules en experiments de LHC

Walter Wagner i Luis Sancho, el març de 2008, van demandar el CERN, el Fermilab de Chicago i el Departament d'Energia dels Estats Units en un tribunal de Hawaii, que va participar en la construcció de l'accelerador, en un intent d'evitar que el LHC entrés en funcionament, [21] però va perdre el cas. Més tard, el setembre de 2008, un grup d'investigadors, dirigit per Markus Goritschnig, es va dirigir al Tribunal Europeu de Drets Humans per aturar l'experiment, ja que podria produir un perillós forat negre, però el Tribunal Europeu va rebutjar la sol·licitud [22] , ja que segons els científics del CERN , els escenaris proposats són "altament improbables".

El 20 de juny de 2008, el LHC Safety Assessment Group (LSAG), l’equip d’avaluació de riscos de LHC, va publicar un nou informe de seguretat, que actualitza l’informe de 2003 [23] , en el qual es reafirma i amplia les conclusions anteriors que "les col·lisions causades pel LHC no presenta cap perill i no hi ha motiu de preocupació " . [24][25] [26] L'informe LSAG va ser llavors revisat i analitzat pel Comitè de Política Científica del CERN , [27] , un grup de científics externs que ofereixen consells al CERN. [24] [28] [29] El 5 de setembre de 2008 es va publicar el diari LSAG, "Review of the safety of LHC collisions" , al Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . [30]

En aquest document, els de LSAG admeten que alguns mini forats negres produïts pel LHC poden, a diferència dels produïts pels raigs còsmics, tenir una velocitat inferior a la velocitat d’escapament de la Terra, però encara argumenten que el LHC és segur, ampliant l’analogia de la els raigs còsmics no només cap a la Terra, sinó també cap a altres cossos celestes. De fet, a l’univers hi ha cossos molt densos, com les estrelles de neutrons, que tenen una velocitat d’escapament tan alta que també atrapen els mini forats negres produïts pels raigs còsmics; l’elevada vida mitjana d’una estrella de neutrons, bombardejada contínuament pels raigs còsmics, nega el perill de mini forats negres produïts pels raigs còsmics i, per tant, per analogia, també els produïts pel LHC.

També cal dir que la tesi d'Otto Rössler (que, sobre la base d'una teoria obsoleta demostrada que era errònia [31] , argumenta que els forats negres no poden emetre radiació Hawking perquè són infinitament distants i grans), segons l'opinió del CERN, contradiu per si sola: [31]

( EN )

"Com es pot crear una cosa infinitament llunyana (i també una cosa infinitament gran) en un temps finit i tenir un efecte en nosaltres? Rössler no hauria de concloure de la mateixa manera que Black Holes no es poden crear en primer lloc? Però, què passa amb les dades astronòmiques que mostren signatures de forats negres, per exemple, al centre de la nostra galàxia? "

( IT )

“Com es pot crear una cosa infinitament distant (i infinitament gran) en un temps finit i tenir un efecte en nosaltres? Rössler no hauria de concloure de la mateixa manera que no es poden crear forats negres en primer lloc? I les dades astronòmiques que mostren traces de forats negres, per exemple al centre de la nostra galàxia? "

( Domenico Giulini i Hermann Nicolai )

Divulgació

  • Al lloc web del CERN, la documentació completa sobre els experiments i tota l’estructura de l’anell i els detectors situats a l’interior es va posar a disposició en 1.589 pàgines i 115 megabytes. [32]
  • També al lloc web del CERN és possible actualitzar l'estat de l'art del projecte [33] [34] .
  • A YouTube, alguns científics del CERN apassionats per la música han divulgat, d’una manera completament informal, un vídeo de rap que explica d’una manera senzilla i divertida el funcionament de l’accelerador i el seu propòsit. [35]
  • L'esdeveniment del 10 de setembre de 2008 va ser transmès en directe a través d'Internet pel CERN Live Webcast [36] i difós a través de moltes xarxes europees.
  • Atesa la gran quantitat de dades disponibles, s’utilitzen sistemes informàtics molt avançats per a la composició i anàlisi de les dades provinents dels experiments de LHC, com ara el WLCG (Worldwide LHC Computing Grid), una xarxa informàtica . [37]
  • A Àngels i dimonis de Dan Brown , l’ antimatèria creada al LHC s’utilitza com a arma contra el Vaticà. El CERN va publicar una pàgina de Veritat o Ficció? discutint sobre la precisió del llibre pel que fa al LHC, el CERN i la física de partícules en general. [38] Algunes escenes de la versió cinematogràfica de la novel·la es van rodar al LHC; el director Ron Howard es va reunir amb experts del CERN en un esforç per fer més exactes les referències científiques de la pel·lícula. [39]
  • The Large Hadron Collider també apareix a la novel·la visual Steins; Gate de 5 pb. , en què el CERN l’ utilitza (anomenat SERN a l’obra) per a la creació d’una màquina del temps incompleta que utilitza forats negres ; gràcies a la qual, en un futur possible, l’organització governa el món en una distopia sense guerres ni llibertat.
  • BBC Radio 4 va commemorar l’encesa de LHC el 10 de setembre de 2008 amb un "Big Bang Day". [40] En aquest esdeveniment es va incloure un episodi de ràdio de la sèrie Torchwood , amb una història de LHC, titulada Lost Souls . [41]
  • El documental de Mark Levinson Particle Fever (2013) segueix els esdeveniments del LHC des del 2009 fins a l’anunci del que podria haver estat el bosó de Higgs . [42]

Nota

  1. ^ CERN, The Large Hadron Collider , a home.cern .
  2. ^ https://www.asimmetrie.it/magneti-dal-superfreddo
  3. ^ ( EN , FR ) Torna el LHC , a public.web.cern.ch . Consultat el 12 d'abril de 2010 (arxivat de l' original el 19 d'abril de 2010) .
  4. ^ L. Rossi, Superconductivity: its role, its success and its reverses in the Large Hadron Collider of CERN ( PDF ), a Superconductor Science and Technology , vol. 23, núm. 3, 2010, pàg. 034001, Bibcode : 2010SuScT..23c4001R , DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 23/3/034001 .
  5. ^ F. Ruggerio, LHC upgrade (accelerator) ( PDF ), el vuitè seminari ICFA , 29 de setembre de 2005. Consultat el 28 de setembre de 2009 .
  6. ^ https://www.asimmetrie.it/in-primo-piano/1706-nuova-luce-per-nuova-fisica-al-cern-posa-della-prima-pietra-di-hilumi-lhc?highlight=WyJsdWNpbyIsInJvc3NpIiwibHVc2Xki2 ==
  7. ^ GF Giudice , Odissea en el zeptospace: un viatge a la física del LHC , Springer-Verlag Italia, Milà 2010, ISBN 978-88-470-1630-9 .
  8. ^ Lloc oficial d'ATLAS , a atlas.ch .
  9. ^ Lloc oficial de CMS , a cms.cern .
  10. ^ Lloc web oficial d'ALICE , a aliceinfo.cern.ch .
  11. ^ Lloc oficial del TOTEM , a totem.web.cern.ch .
  12. ^ Lloc oficial de la LHCf , a public.web.cern.ch .
  13. ^ Èxit de l'experiment "Big Bang" , a news.bbc.co.uk , BBC.
  14. Primer feix del LHC - accelering science , a press.web.cern.ch , CERN. Consultat el 10 de setembre de 2008 .
  15. Mark Henderson, "Big bang machine" torna a col·lisionar després de solucionar els problemes , a The Times , el 18 de setembre de 2008.
  16. ^ Notícies | Pàgines dels usuaris del CERN
  17. ^ Butlletí del CERN, novembre de 2015
  18. ^ (EN) Primeres col·lisions protó-protó al LHC observades amb el detector ALICE: mesura de la densitat de pseudorapidesa de partícules carregades a sqrt (s) = 900 GeV [ enllaç trencat ] , a The European Physical Journal C - Particles and Fields , vol. 65, núm. 1-2, gener 2010, pp. 111-125, DOI : 10.1140 / epjc / s10052-009-1227-4 . Consultat el 9 d'abril de 2010 .
  19. ^ < http://www.wired.it/scienza/lab/2014/11/20/particelle-lhc-barioni/
  20. ^ https://arxiv.org/pdf/1411.4849v1.pdf
  21. ^ Lhc de Ginebra va denunciar: «Apocalypse risk» Cern: «L'alarma no és compatible amb les dades» , a Il Messaggero , 29 de març de 2008. Obtingut el 30 de març de 2008 (arxivat de l' URL original l'11 d'abril de 2008) .
  22. ^ Repubblica.it
  23. ^ Vegeu l' informe del CERN i la presentació de Miquel Àngel Mangano.
  24. ^ A b (EN) " La seguretat del LHC ". CERN 2008 (lloc web del CERN).
  25. ^ (EN) Ellis J, jutge G , Mangano ML, Tkachev I, Wiedemann U (LHC Safety Assessment Group) (20 de juny de 2008). Revisió de la seguretat de les col·lisions LHC . Registres del CERN . arXiv: 0806.3414 .
  26. ^ (EN) Ellis J, jutge G , Mangano ML, Tkachev I, Wiedemann U (LHC Safety Assessment Group) (20 de juny de 2008). Revisió de la seguretat de les col·lisions de LHC: addenda sobre Strangelets .
  27. ^ (EN) CERN Scientific Committee Committee (2008). Informe SPC sobre documents LSAG . Registres del CERN .
  28. ^ (EN) Overbye, Dennis. (21 de juny de 2008). " Després de tot, la Terra sobreviurà, diuen els físics ". El New York Times .
  29. ^ El Consell del CERN espera la posada en marxa del LHC , el 20 de juny de 2008 (arxivat de l' original el 9 de setembre de 2008) .
  30. John Ellis, Gian Giudice, Michelangelo Mangano, Igor Tkachev, Urs Wiedemann i LHC Safety Assessment Group, Review of the safety of LHC collisions , a Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics , vol. 35, n. 11, 1 de novembre de 2008, p. 115004, DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 35/11/115004 , ISSN 0954-3899,1361-6471 ( WC ACNP ) .
  31. ^ a b Còpia arxivada ( PDF ), a Environmental-impact.web.cern.ch . Consultat el 2 de maig de 2019 (arxivat de l' original el 4 de juliol de 2018) .
  32. ^ El CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments.
  33. ^ Notícies de LHC .
  34. ^ LHC First Beam .
  35. ^ Large Hadron Rap (vídeo de YouTube) .
  36. ^Transmissió en directe del CERN .
  37. ^ Worldwide LHC Computing Grid , a wlcg-public.web.cern.ch .
  38. Àngels i dimonis , a public.web.cern.ch , CERN. Consultat el 16 de juliol de 2008 (arxivat de l' original el 13 de desembre de 2007) .
  39. ^ Ceri Perkins, ATLAS rep el tractament de Hollywood , a ATLAS e-News , CERN. Consultat el 16 de juliol de 2008 .
  40. ^ BBC - Radio 4 - Big Bang Day , a bbc.co.uk , BBC , 10 de setembre de 2008. Consultat l'11 de setembre de 2008 .
  41. Programació per al Big Bang Day a BBC Radio 4 , a bbc.co.uk , Oficina de Premsa de la BBC. Recuperat l'11-08-2008 .
    Ràdio 4 - Big Bang Day , a bbc.co.uk , BBC. Consultat el 10 de setembre de 2008 .
    Paul Donovan, la BBC té el Big Bang de drets , a The Sunday Times , 7 de setembre de 2008. Consultat l'11 de setembre de 2008 .
  42. Particle Fever (2013) , a IMDb . Consultat el 18 de novembre de 2015 .

Articles relacionats

Experiments

Altres projectes

Enllaços externs

Control de l'autoritat VIAF (EN) 322149105998868490197 · LCCN (EN) sh85074708 · GND (DE) 4398783-7 · WorldCat Identities (EN) VIAF-322149105998868490197